专利名称：自动循环开关器及分层注水系统以及自动循环注水方法
技术领域：
本发明属于油田采油技术领域，确切的说是涉及一种注水井中注水管柱上使用的 分层注水自动循环开关器及包含有这种分层注水自动循环开关器的分层注水系统以及该 分层注水系统使用的循环分层周期性自动注水方法。
背景技术：
我国东部油田的井下油层情况较复杂，目前已进入注水开发后期，特别是部分油 井进入了特高含水的开发晚期，油井各油层的层间矛盾日益加剧，综合含水不断升高，挖潜 对象复杂，油田开采难度不断加大，使得采取常规的分注工艺进行动态调整困难。由石油工业出版社于2005年3月出版的《采油技术手册》第三版第686页一707 页“分层注水工具及管柱”中介绍了采用空心配水管柱、偏心配水管柱、细分注水管柱等分 层注水方式。现在主要使用的是偏心细分注水管柱，通过配水器水嘴控制各层注入量，定 期钢丝投捞测试调配水量，其在一定程度上解决了注水井中各油层的层间干扰问题，缓解 了层间矛盾，但由于分注管柱受封隔器坐封段和测试工艺的限制，以及隔层稳定性的影响， 采用细分注水到一定程度后就无法进一步细分，其发展空间有限，而且存在着由于水质、结 垢、井况井斜等原因造成的井下注水管柱的堵塞、无法投捞调配等问题。另外，细分注水工艺采用水嘴控制各层水量和采用井下钢丝投捞测试工艺还存在 以下问题
①、注水时，由于层间渗透率级差较大、层间干扰大，使得采用水嘴控制各层水量的难 度较大，井下分层水量不清楚，难以通过水嘴实现有效分注；同时由于层间压差大，还存在 注水层间窜流的问题，达不到分层注水目的。②、对于单个注水层，层内渗透率级差大，注入水沿高渗透层优势通道突进，影响 注入水波及体积，增加层内中低渗透的剩余油挖潜难度。③、井下钢丝投捞测试工艺受井况影响大，当油田进入注水开发后期，随着采出水 的增加，污水回注量增加，由于污水处理难度大，注水的水质逐渐变差，水中的机械杂质含 量高，管柱结垢严重，且油管返吐等原因造成投捞遇阻或遇卡，造成作业返工，影响分注有 效期。2008年9月10号公开的申请号为200810064336. 9的中国发明专利说明书公开
了一种电磁线性调节井下注采流量装置，该装置是在井下管柱中偏置的配水器中依次设有 电磁信号接收器、驱动电机控制器及驱动电机，驱动电机的输出轴螺旋连接阀杆，阀杆下端 连接与阀座配合的阀球；在地面由绞车通过钢丝在管柱中悬垂一个电磁信号发射器至配水 器旁，地面控制系统通过电磁信号发射器发射控制信号，配水器中的电磁信号接收器根据 接收到的信号控制驱动电机开闭配水阀来调整注水的水量。但这种电磁线性调节井下注采 流量装置需要地面工作人员通过电磁信号控制配水器的开闭，因而其注水调配操作较为复 杂，容易出现人为操作失误，造成分层注水量出现误差，注水效果差。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可以自动控制配水阀开闭的分层注水自动循环开关器。为实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种分层注水自动循环开关器，包括 轴向开设有中心注水管道的开关主体，开关主体内偏置设有偏心配水阀，所述偏心配水阀 包括阀腔，在中心注水管道的管壁上开设有连通阀腔的进水孔，在开关主体的外壁上开设 有与阀腔连通的出水孔，所述的阀腔内设有阀芯，阀芯通过传动机构传动连接在一驱动电 机的输出轴上，还包括用于给驱动电机供电的蓄电池组及用于控制蓄电池组按设定时序为 驱动电机周期性供电的微处理器，微处理器的输入接口与蓄电池组连接，微处理器的输出 接口与驱动电机连接。在所述开关主体的上、下两端分别连接有上、下接头，在所述的上接头的内壁与开 关主体的外壁之间设有一封闭空间，所述的蓄电池组、微处理器及驱动电机均固定安装在 该封闭空间中。所述的驱动电机与阀芯之间采用螺杆、螺母传动机构传动连接。所述的阀芯为沿开关主体轴向与阀腔内壁密封滑动装配的空心筒状活塞，活塞的 上端面中心轴向开设有螺纹孔，在活塞的外壁上轴向开设有沟槽，在所述的阀腔的内壁上 固定有与该沟槽滑动配合的防转销，所述螺杆同轴固定在驱动电机的输出轴上。本发明的另一个目的是提供一种主要由上述分层注水自动循环开关器组成的自 动循环分层注水系统，包括井下注水管柱，注水管柱中间隔设有两个以上的分层注水自动 循环开关器，所述分层注水自动循环开关器包括轴向开设有中心注水管道的开关主体，开 关主体内偏置设有偏心配水阀，所述偏心配水阀包括阀腔，在中心注水管道的管壁上开设 有连通阀腔的进水孔，在开关主体的外壁上开设有与阀腔连通的出水孔，所述的阀腔内设 有阀芯，阀芯通过传动机构传动连接在一驱动电机的输出轴上，其特征在于，还包括用于给 驱动电机供电的蓄电池组及用于控制蓄电池组按设定时序为驱动电机周期性供电的微处 理器，微处理器的输入接口与蓄电池组连接，微处理器的输出接口与驱动电机连接，各分层 注水自动循环开关器根据其安装的微处理器中设定的时序轮流开闭。本发明的还有一个目的是提供一种针对上述自动循环分层注水系统的注水井自 动循环分层周期注水方法，以解决现有技术中因不能自动控制而导致的人工操作容易出现 失误的缺陷。本发明的技术方案是一种注水井自动循环分层周期注水方法，在注水管柱中对 应各油层设置有两个以上与油层一一对应的分层注水自动循环开关器，各分层注水自动循 环开关器中设有用于启闭注水通道的配水阀，各分层注水自动循环开关器中的配水阀的阀 芯上分别连接有驱动电机，各分层注水自动循环开关器中的上分别连接有用于控制蓄电池 组向驱动电机供电的微处理器，各自动循环开关器上的微处理器分别设定有用于控制蓄电 池组向驱动电机供电以打开或关闭注水通道的启闭时序，启闭时序包括注水通道开启时 间、持续开启周期、注水通道关闭时间、持续关闭周期，各分层注水自动循环开关器通过设 定的启闭时序自动轮流开启和关闭，针对各油层按照设定的周期进行循环注水，实现井下 油层周期性注水。所述注水管柱中自动循环开关器的数量不超过4个。
所述注水管柱通过地面管线连接有流量控制器和压力表，由地面人工转动调节单
层注水水量。采用本发明的技术方案可以获得如下效果
①操作简单、工作可靠，消除了人为控制容易造成失误的因素，使得分层注水的效率大 为提高；
②循环开关器定期自动工作，能够实现多油层周期性脉冲注水，解决层内矛盾，增加层 内中低渗透的剩余油波及效率；
③解决层间压差大，注水井层间窜流的问题，提高注水开发效果；
④地面实时监测单层水量、单层流压，能够实时调配水量，解决水嘴控制各层水量难度 大问题，单层注水量准确、清楚；不需要井下钢丝投捞测试和调配，降低能耗、提高效率，提 高分注有效期。
图1为本发明中分层注水自动循环开关器的结构示意图； 图2为本发明的注水管柱系统的结构示意图;T图6为本发明自动循环分层注水方法的注水油层示意图。
具体实施例方式为实现注水井自动循环分层周期注水需要在注水管柱中连接的分层注水自动循 环开关器中集成安装微处理器，通过微处理器控制实现自动注水。其具体结构如图1所示， 包括中心轴向开设有注水管道的开关主体8，开关主体8的上、下两端分别通过螺纹连接有 上接头1和下接头9，在开关主体8内偏置设有偏心配水阀，该偏心配水阀包括轴向开设的 阀腔11，开关主体8的内、外壁上分别开设有与该阀腔11连通的进水孔10和出水孔12，进 水孔10、出水孔12及阀腔11共同组成配水通道。在阀腔11中密封滑动装配有用于开闭 配水通道的阀芯7，阀芯7通过螺杆、螺母转动机构传动连接在驱动电机4的输出轴上。在 本实施例中，螺杆5与驱动电机4的输出轴同轴固连，阀芯7采用空心筒状活塞结构，在该 活塞的上端面开设有与螺杆5螺纹配合的螺纹孔，在活塞的外壁上轴向开设有沟槽，在阀 腔11的侧壁上固定有与活塞外壁对应沟槽滑动配合用于防止其被螺杆5带动旋转的防转 销6。在驱动电机4上连接有用于控制其按设定时序周期性供电的微处理器3，微处理器3 的输入端连接有蓄电池组2，微处理器3的输出端连接在驱动电机4上。在开关主体8的外 壁与上接头1的内壁之间密封设置有一封闭空间，蓄电池组2、微处理器3和驱动电机4从 上至下依次固定在该封闭空间中。本实施例中使用的微处理器3采用的是Microchip公司的PIC18F2620单片机，在 使用前，先在井上试验驱动电机4开始转动直至空心筒状活塞7打开或关闭配水通道所需 要的运转时间，然后在微处理器3的时钟电路中写入控制驱动电机4工作的开启时间、持续 开启周期、关闭时间、持续关闭周期及启闭配水通道时驱动电机的运转时间，使微处理器在 到达特定的时间周期时能够发出起动或停止指令。将上述分层注水自动循环开关器的安装到注水管柱中组成自动循环分层注水系 统，如图2所示，本实施例中，油井井下具有四个油层22-1、22-2、22-3和22_4，将四个自动循环开关17-1、17-2、17-3及17-4和三个封隔器18相间连接在井下管柱中对应各油层下 至对应位置，在管柱的上部设有水力锚16，管柱的底部设有限流阀19、筛管20及丝堵21。 在地面设置有地面管线33、流量控制器32及压力表31组成地面流量控制系统。将管柱下 井至设计位置。坐封时，水从地面管线33进入油管14，压力达到4MPa时，水力锚16锚牙 张开抓紧套管15内壁；压力达到SMPa时，各级注水封隔器18同时坐封，实现油层的层间封 隔。在实行分层注水前，各自动循环开关器17-1、17-2、17_3及17-4是关闭的，假设现 在对各油层22-1、22-2、22-3和22_4中任意一个油层进行分层注水，单层循环注水周期是 X天时，循环分层周期注水方法的过程如下
①、若要注油层22-4时，对应的分层注水循环开关器17-4打开，其它分层注水循环开 关器17-1、17-2和17-3保持关闭，见图3，单注油层22_4，分层注水循环开关器17_4中的微 处理器3根据预先设定的开启时间将蓄电池组2和驱动电机4接通并发出正向旋转信号， 驱动电机4正向旋转，带动螺杆5正向旋转，在防转销6与对应沟槽配合的阻挡作用下，空 心筒状活塞7通过螺杆、螺母传动机构向上运动打开注水通道，驱动电机4正向旋转设定的 时间后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，空心筒状活塞7的密封圈到达阀 腔11的密封配合处关闭配水通道，自动循环开关器17-4进入持续开启周期，开始注水，通 过地面流量控制器32调配注水量，注水X天后，当微处理器3工作时间达到关闭时间，微处 理器3发出反向旋转信号，驱动电机4反向旋转，带动螺杆5反向旋转，在防转销6的阻挡作 用下，空心筒状活塞7向下运动，驱动电机4反向旋转设定时间后，微处理器3发出停止信 号，驱动电机4停止旋转，空心筒状活塞7密封圈到达阀腔11的密封配合处关闭配水通道， 分层注水循环开关器17-4关闭，开始持续关闭周期。分层注水循环开关器17-4关闭，在油 层内部产生不稳定的压力降，使不同渗透率小层之间流体进行相应的不稳定交渗流动，促 进毛管渗吸作用，增大其渗吸深度，扩大注入水的波及系数，提高产油量。就实现上述的目 的，准备换层。②、若要注油层22-3时，对应的分层注水循环开关器17-3打开，其它分层注水循 环开关器17-1、17-2和17-4保持关闭，见图4，单注油层22_3，分层注水循环开关器17_3中 的微处理器3根据预先设定的开启时间将蓄电池组2和驱动电机4接通并发出正向旋转信 号，驱动电机4正向旋转，带动螺杆5正向旋转，在防转销6与对应沟槽配合的阻挡作用下， 空心筒状活塞7通过螺杆、螺母传动机构向上运动打开注水通道，驱动电机4正向旋转设定 的时间后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，自动循环开关器17-3进入持续 开启周期，开始注水，通过地面流量控制器32调配注水量，注水X天后，当微处理器3工作 时间达到关闭时间，微处理器3发出反向旋转信号，驱动电机4反向旋转，带动螺杆5反向 旋转，在防转销6的阻挡作用下，空心筒状活塞7向下运动，驱动电机4反向旋转设定时间 后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，空心筒状活塞7密封圈到达阀腔11的 密封配合处关闭配水通道，分层注水循环开关器17-3关闭，开始持续关闭周期。分层注水 循环开关器17-3关闭，在油层内部产生不稳定的压力降，使不同渗透率小层之间流体进行 相应的不稳定交渗流动，促进毛管渗吸作用，增大其渗吸深度，扩大注入水的波及系数，提 高产油量。就实现上述的目的，准备换层。③、若要注油层22-2时，对应分层注水循环开关器17-2打开，其它分层注水循环
6开关器17-1、17-3和17-4保持关闭，见图5，单注油层22_2，分层注水循环开关器17_2中 的微处理器3根据预先设定的开启时间将蓄电池组2和驱动电机4接通并发出正向旋转信 号，驱动电机4正向旋转，带动螺杆5正向旋转，在防转销6与对应沟槽配合的阻挡作用下， 空心筒状活塞7通过螺杆、螺母传动机构向上运动打开注水通道，驱动电机4正向旋转设定 的时间后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，自动循环开关器17-2进入持续 开启周期，开始注水，通过地面流量控制器32调配注水量，注水X天后，当微处理器3工作 时间达到关闭时间，微处理器3发出反向旋转信号，驱动电机4反向旋转，带动螺杆5反向 旋转，在防转销6的阻挡作用下，空心筒状活塞7向下运动，驱动电机4反向旋转设定时间 后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，空心筒状活塞7密封圈到达阀腔11的 密封配合处关闭配水通道，分层注水循环开关器17-2关闭，开始持续关闭周期。分层注水 循环开关器17-2关闭，在油层内部产生不稳定的压力降，使不同渗透率小层之间流体进行 相应的不稳定交渗流动，促进毛管渗吸作用，增大其渗吸深度，扩大注入水的波及系数，提 高产油量。就实现上述的目的，准备换层。④、若要注油层22-1时，对应的分层注水循环开关器17-1打开，其它分层注水循 环开关器17-2、17-3和17-4保持关闭，见图6，单注油层22_1，分层注水循环开关器17_1中 的微处理器3根据预先设定的开启时间将蓄电池组2和驱动电机4接通并发出正向旋转信 号，驱动电机4正向旋转，带动螺杆5正向旋转，在防转销6与对应沟槽配合的阻挡作用下， 空心筒状活塞7通过螺杆、螺母传动机构向上运动打开注水通道，驱动电机4正向旋转设定 的时间后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，自动循环开关器17-1进入持续 开启周期，开始注水，通过地面流量控制器32调配注水量，注水X天后，当微处理器3工作 时间达到关闭时间，微处理器3发出反向旋转信号，驱动电机4反向旋转，带动螺杆5反向 旋转，在防转销6的阻挡作用下，空心筒状活塞7向下运动，驱动电机4反向旋转设定时间 后，微处理器3发出停止信号，驱动电机4停止旋转，空心筒状活塞7密封圈到达阀腔11的 密封配合处关闭配水通道，分层注水循环开关器17-1关闭，开始持续关闭周期。分层注水 循环开关器17-1关闭，在油层内部产生不稳定的压力降，使不同渗透率小层之间流体进行 相应的不稳定交渗流动，促进毛管渗吸作用，增大其渗吸深度，扩大注入水的波及系数，提 高产油量。就实现上述的目的，准备换层。—个循环注水周期结束，重复前面①、②、③、④步骤，进行下一轮周期注水，如此 循环往复，实现自动循环开关器定期自动开启-关闭-开启的周期性循环。连接在注水管 柱中的每一个自动循环开关器上分别设置不同的时序，各自动循环开关器根据自身微处理 器中设定的时序轮换开闭，从而达到注水井自动循环分层周期注水。分层注水时，地面控制系统的流量控制器2显示对应油层的注水量，压力表1显示 对应油层的注入流压，流量控制器2实时监测注入流量，流量变化随时通过流量控制器2调 节注水量；同时根据压力变化情况，可以判断对应油层的吸水状况，井下管柱情况，如压力 突然升高，可以判断井下有堵塞，则需要进行洗井处理。洗井时，注入水通过地面管线33进入套管15环空，从上到下依次经过各注水封隔 器18的洗井通道，到达管柱底部丝堵21，从筛管20、限流阀19进入油管14内，一直上行从 井口油管返出，循环洗井，清除井底脏物、垢等。解封时，上提井下管柱，各注水封隔器18解封，胶筒回弹解封，起出管柱。
本发明不局限于上述实施例，在实际应用中，安装在注水管柱上的循环开关器7 可以为2 4个，根据油井中油层的实际情况灵活配置。
权利要求
一种分层注水自动循环开关器，包括轴向开设有中心注水管道的开关主体，开关主体内偏置设有偏心配水阀，所述偏心配水阀包括阀腔，在中心注水管道的管壁上开设有连通阀腔的进水孔，在开关主体的外壁上开设有与阀腔连通的出水孔，所述的阀腔内设有阀芯，阀芯通过传动机构传动连接在一驱动电机的输出轴上，其特征在于，还包括用于给驱动电机供电的蓄电池组及用于控制蓄电池组按设定时序为驱动电机周期性供电的微处理器，微处理器的输入接口与蓄电池组连接，微处理器的输出接口与驱动电机连接。
2.根据权利要求1所述的分层注水自动循环开关器，其特征在于，在所述开关主体的 上、下两端分别连接有上、下接头，在所述的上接头的内壁与开关主体的外壁之间设有一封 闭空间，所述的蓄电池组、微处理器及驱动电机均固定安装在该封闭空间中。
3.根据权利要求1所述的分层注水自动循环开关器，其特征在于，所述的驱动电机与 阀芯之间采用螺杆、螺母传动机构传动连接。
4.根据权利要求3所述的分层注水自动循环开关器，其特征在于，所述的阀芯为沿开 关主体轴向与阀腔内壁密封滑动装配的空心筒状活塞，活塞的上端面中心轴向开设有螺纹 孔，在活塞的外壁上轴向开设有沟槽，在所述的阀腔的内壁上固定有与该沟槽滑动配合的 防转销，所述螺杆同轴固定在驱动电机的输出轴上。
5.一种自动循环分层注水系统，包括井下注水管柱，注水管柱中间隔设有两个以上的 分层注水自动循环开关器，所述分层注水自动循环开关器包括轴向开设有中心注水管道的 开关主体，开关主体内偏置设有偏心配水阀，所述偏心配水阀包括阀腔，在中心注水管道的 管壁上开设有连通阀腔的进水孔，在开关主体的外壁上开设有与阀腔连通的出水孔，所述 的阀腔内设有阀芯，阀芯通过传动机构传动连接在一驱动电机的输出轴上，其特征在于，还 包括用于给驱动电机供电的蓄电池组及用于控制蓄电池组按设定时序为驱动电机周期性 供电的微处理器，微处理器的输入接口与蓄电池组连接，微处理器的输出接口与驱动电机 连接，各分层注水自动循环开关器根据其安装的微处理器中设定的时序轮流开闭。
6.一种注水井自动循环分层周期注水方法，其特征在于，在注水管柱中对应各油层设 置有两个以上与油层一一对应的分层注水自动循环开关器，各分层注水自动循环开关器中 设有用于启闭注水通道的配水阀，各分层注水自动循环开关器中的配水阀的阀芯上分别连 接有驱动电机，各分层注水自动循环开关器中的上分别连接有用于控制蓄电池组向驱动电 机供电的微处理器，各自动循环开关器上的微处理器分别设定有用于控制蓄电池组向驱动 电机供电以打开或关闭注水通道的启闭时序，启闭时序包括注水通道开启时间、持续开启 周期、注水通道关闭时间、持续关闭周期及启闭注水通道时驱动电机的运转时间，各分层注 水自动循环开关器通过设定的启闭时序自动轮流开启和关闭，针对各油层按照设定的周期 进行循环注水，实现井下油层周期性注水。
7.根据权利要求5所述的注水井自动循环分层周期注水方法，其特征在于，所述注水 管柱中自动循环开关器的数量不超过4个。
8.根据权利要求5所述的注水井自动循环分层周期注水方法，其特征在于，所述注水 管柱通过地面管线连接有流量控制器和压力表，由地面人工调节单层注水水量。
全文摘要
本发明公开了一种注水井自动循环分层周期注水方法，在注水管柱中对应各油层设置有两个以上的自动循环开关器，各自动循环开关器中用于开闭偏心配水阀的电机上分别连接有微处理器，各自动循环开关器上的微处理器分别设定有启闭时序，各自动循环开关器通过设定的时序自动轮换开启和关闭，对各油层进行循环注水，实现井下油层周期性脉冲注水。本发明操作简单、工作可靠、成功率高，不用人工控制，去除了人为控制容易造成失误的因素，提高了注水开发效果。
文档编号E21B43/20GK101936149SQ20101028506
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者刘明尧, 彭元东, 杨康敏, 王小勇, 马宏伟, 黄春燕 申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司河南油田分公司石油工程技术研究院